基于GPRS的远程无线自动抄表系统的设计.doc

第一章 绪论发展远程自动抄表的瓶颈之一是信号传输通道。目前常见的光纤通信、无线通信、电话线网、点对点的红外线通信和低压电力载波等通信方式,无不受投资、维护、地理环境、无线信道、组网可靠性等因素的制约, 难以适用于点多面广的用户信息监测。短消息SMS的模式虽然具有覆盖面广、传输距离不受限制、不用自行组网、易于扩容、安装方便、投资省、免维护等优点, 但是短消息SMS的信道延时是不可预测的, 而且一个短消息能够包含的信息量非常有限, 一般只能有几十个字节。在数据量很大的集中抄表系统中, 一个数据包往往要进行分组, 而且短消息延时比较大, 费用昂贵。GPRS业务在具有上述优点的同时又解决了信道流量的问题, 在无线网络用电管理中广为采用。它采用分组交换传输数据的高效率方式, 提供广域、无缝、直接的Internet无线IP连接。每个用户可以同时占有多个无线信道, 大大提高了信息传输速率, 理论上可提供高达171.2kbit/s的传输率。以GPRS为基础的无线数据应用为实现远距离的数据传输提供了一种新的技术手段。第二章 系统设计GPRS(General Packed Radio Service，通用分组无线业务)是一种采用分组交换的高效率数据传输方式，它克服了GSM 中电路变换速率低、资源利用率差等缺点，最大限度地利用了现有的GSM 网络资源，提高了传输速率。GSM 网络的数据传输速率低于96 Kbs，GPRS 网络理论上最大可以提供1712 Kbs的传输速率由于GPRS网络具有永远在线、快速登录、按流量计费、切换自如、高速传送、安全可靠等优点，所以由它来做技术支撑，可以用更加简单、低成本、安全可靠的方式构建远程监控网络，节省人力、物力，提高水文遥测监控的自动化水平。GPRS技术的无线自动抄表系统在我们原有自动抄表系统的基础上改造过来的，原来的系统是在管理微机串口处外接一个R$232485转换器，然后直接与图中的具有RS一485通信接口的采集器相连。从图1看改造后的具有GPRS功能的无线自动抄表系统共分三层。第一层为原来的采集器，第二层为集中器，第三层为管理微机(数据中心)。采集器部分为能收集多路、多种能耗(水、电、气、暖等)脉冲的具有通信能力的智能设备，它与集中器之间的通信采用技术成熟的RS一485总线方式。集中器部分向下连接它所在区域的多个智能采集器，向上通过GPRS模块完成与管理微机之间的数据交换。而管理微机那儿也是通过GPRS模块完成与各个集中器的数据交换，当然，它还担负着用户界面操作、数据管理、费用结算、账单打印等服务功能。这种从原来的两级网络结构变为三级网络结构，从系统的容景上看，是一次彻底的革命，因为增加的中间级是具有GPRS模块的集中器，而集中器的GPRS模块实际上是外挂在GSM 网上，因此种三级的网络结构，不仅解决了通信的距离问题，而且解决了系统的容景问题。显然采集器的电路已经具备与集中器直接相连的功能，因此电路不需作任何修改。管理微机那儿我们可以考虑直接带通信数据透明的GPRS功能模块，而不作硬件上的重新设计，但这种方式需要编制上位管理软件的工程师也要熟悉GPRS模块中的大量的AT指令，并将用到的AT指令嵌入到上位管理软件程序中去，同时要求上位机软件工程师在原来的软件上作比较大的修改，为了尽量减少已经成熟的上位管理微机软件的改动工作量，我们在管理微机的串口处，设计了的内含GPRS模块的通信接口。整个系统中，由于采集器和管理微机已经是成熟的产品，因此，本系统的设计主要涉及集中器和通信机的设计。而且，集中器和通信机无论在硬件设计上还是在软件设计上都有很大部分是相同的，所以只需硬件工程师统筹考虑即可。图21 基于GPRS技术的无线自动抄表系统结构图第三章 硬件介绍由于集中器和通信机的硬件基本相似，因此，我们先以集中器为例介绍硬件设计。集中器的硬件主要包括集中器的智能控制部分电路和GPRS模块及其外围电路两部分。分别见图1和图2所示。图31 集中器的智能控制部分电路图集中器的智能控制部分完成的主要功能包括与采集器的数据通信，与GPRS模块进行数据通信，以及完成本机内GPRS模块的初始化和完成本机内GPRS模块与系统通信机内的GPRS模块建立数据通信前的连接工作等。由于集中器既要向上(与通信机)收发数据，又要向下(与采集器)收发数据，为保证通信数据的实时性，我们选择具有双串口功能的W77E58作为集中器的CPU。考虑集中器下的各个采集器具有一定范围内的分散性以及系统的电气安全性能，这里设计的为具有光电隔离的RS一485总线方式，右上的电平变换1、2部分是解决GPRS模块的数字电平为3V的问题， 图中只画出了77E58向GPRS模块发送的电平变换图，而接收部分的电平变换与发送部分电路基本一样，只是两个三极管的上拉电压更换一下即可。为更加直观地观察通信是否正在进行，这里在图1电路的右下角我们设计了4个发光二极管。分别指示上行发送、上行接收、下行发送、下行接收四种通信的数据流向状态。外加MC1413反相器的作用除了增加驱动外还保证不通信时所有的指示灯是熄灭的。GPRS模块选择了价格比较便宜、功能强大、操作简单的SIM100，它是SIMC0M推出的GSMGPRS双频模块。主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。SIM1 OO集成了完整的射频电路， 适合干开发一些GSMGPRS 的无线应用产品。SIM100具有体积小、重量轻、工作温度范围宽等优点，还具有标准AT命令接口，为用户提供了功能完备的系统接口。在设计中，主要应用了它的短信息和传输数据业务两块功能。图2中的右侧是外加的SIM卡电路，为了防止静电损坏，在SIM卡座各引脚附近的位置处设计了瞬变电压抑制二极管，同时还设计了用来指示模块工作状态的网络状态指示器。图中的用来给SIM100供电的VBAT设计的电源电路产生 根据SIM100需要，可以设计的VBAT为4 2V，而图中的VSIM 是由SIM100自动产生。通信机与集中器在硬件上的不同是，集中器的通信接口采用的光电隔离的RS一485方式，而通信机由于直接与管理微机通信。因此通信接口采用RS一232方式即可。由于不采用光电隔离， 因此，设计时可少设计一组独立的5V电源。在接口电路上，除去掉3个光藕外，还只需把MAX485芯片换成MAX232即可。而通信机的GPRS模块及其外围电路与集中器的该部分电路完全一样。图32 GPRS模块及其外围电路图第四章 软件设计系统的软件设计应包括管理微机的软件、集中器、通信机的软件设计，由于设计的集中器和通信机相对于数据来说是完全透明(集中器和通信机仅仅是个数据通道)的，管理微机的软件基本上还是原来的抄表管理软件，只是在抄表的主菜单中增加各个集中器的SIM卡号管理和抄表时GPRS的网络连接提示而已，其它的功能与原来完全一样， 因此，这里对管理软件不作专门的介绍。集中器的功能和通信机的功能基本上一样，都是系统的信息通道而已，它们都不起控制作用，也不具有数据存储的功能，主要是因在系统中所处的位置不同，软件设计也基本一致。对集中器而言，主程序主要完成系统初始化(包括77E58本身的资源初始化，通信波特率的设置等)，启动本机SIM100模块的TCP的SERVER功能(包括设置SlM100工作在GPRS方式下，设定侦听的TCP端口号。启动SERVERGN开始侦听PORT并获取SERVER的IP地址)，然后等待上位管理微机抄表命令、预置数命令等命令发布前的与通信机的GPRS模块进行连接的问题，进行连接包括用短信的方式读取通信机的SlM100模块的IP地址，发送自身的IP地址，这样才能建立点对点的连接。当然对集中器来讲，它的连接是被动的，集中器GPRS模块与通信机GPRS模块的连接就与手机打电话类似，该过程有一系列的AT指令在执行，需要花费几秒钟的时间，连接成功后，即可进行数据通信了，而数据的传输速度只与设置的波特率有关。通信机的软件设计与集中器类似，不过，它在接收管理微机的命令后才主动地与指定的集中器进行连接。这里给出集中器的软件设计流程图，见图1所示：图41 集中器的主程序流程图第五章 总结与展望整个设计通过了三周的时间于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。我们组一共有四个人，在这次课程设计过程中我们互相帮助，通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。其次，这次课程设计让我充分认识到团队合作的重要性，只有分工协作才能保证整个项目的有条不絮。另外在课程设计的过程中，当我们碰到不明白的问题时，指导老师总是耐心的讲解，给我们的设计以极大的帮助，使我们获益匪浅。因此非常感谢老师的教导。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。我觉得作为一名软硬件工程专业的学生，这次课程设计是很有意义的。更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。虽然自己对于这门课懂的并不多，很多基础的东西都还没有很好的掌握，觉得很难，也没有很有效的办法通过自身去理解，但是靠着这几个礼拜的“学习”，在小组同学的帮助和讲解下，渐渐对一些不懂得问题产生了兴趣，己开始主动学习并逐步从基础慢慢开始弄懂它。参考文献【1】 钟章队，蒋文怡，李红军，等GPRS通用分组无线业务 M北京：人民邮电出版社，2001【2】 博嘉科技Visual C+60网络编程实作教程M北京：北京希望电子出版社，2001【3】 求是科技Visual C+60数据库开发技术与工程实践M北京：人民邮电出版社，2004【4】 David J Kruglinski，Scot WingoVisual C+60技术内幕M北京：北京希望电子出版社，2002【5】 周 游，高新华国内几种电能表自动抄录系统之比较J广东电力，2002，15(1)：911【6】 李平，郑应强，张振仁基于IOKV电力系统自动抄表系统J现代电子技术，2002，(11)：7476【7】 李 治，黄 璐，赵 伟利用其他领域成果推动自动抄表进步J城市建筑智能系统，2002，(9)：15-17【8】 Xavier。Lagrange Phi 1 ippe，God1ewskiGSM网络与GPRSM北京：电子工业出版社，2002【9】 DLT6451997，多功能电能表通信规约S致谢：课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，交换机在生活中可以说得是无处不在。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，这次论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要用心去做的一件事情，是真正的自